EP3080399A1 - Abgasturbolader - Google Patents

Abgasturbolader

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EP3080399A1
EP3080399A1 EP14793041.6A EP14793041A EP3080399A1 EP 3080399 A1 EP3080399 A1 EP 3080399A1 EP 14793041 A EP14793041 A EP 14793041A EP 3080399 A1 EP3080399 A1 EP 3080399A1
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EP
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turbine wheel
blade
turbine
leading edge
vane
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EP14793041.6A
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EP3080399B1 (de
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Ralf Böning
Ivo Sandor
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Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
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Publication date
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Publication of EP3080399A1 publication Critical patent/EP3080399A1/de
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Publication of EP3080399B1 publication Critical patent/EP3080399B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/165—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for radial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially parallel to the rotor centre line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
    • F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
    • F01D5/048—Form or construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • the blade trailing edge of a respective vane is substantially parallel to the leading edge of a respective nearest turbine blade.
  • the blade ⁇ trailing edge has a same inclination angle relative to the axis of rotation of the turbine wheel as the leading edge.
  • the projection of the blade trailing edge is parallel to the projection for the projection of the leading edge.
  • a gap between the vane trailing edge and the A ⁇ thus occurs edge is substantially a constant value. The flow guidance of the media flow from the guide vanes to the turbine wheel can thereby be improved.
  • the vanes are between an open one
  • FIG. 8 shows two cross sections of the guide blade 14 shown in FIGS. 1-5, 7 and 8 perpendicular to the axis of rotation 7 of the turbine wheel 4. It can be seen here that a first cross-section 34 of the guide blade 14 on the blade bearing ring facing side 34 ⁇ by the angle of 10 ° with respect to a second cross-section 35 of the guide vane 14 on the disk 15 facing side 35 ⁇ is inclined.
  • FIG. 10 again shows the turbine wheel 4 with a semi-axial inflow from FIGS. 1 to 5 in a schematic representation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1), umfassend eine Turbine (2) mit einem Turbinenrad (4), wobei das Turbinenrad (4) axial in einem Turbinengehäuse (6) gelagert ist und Turbinenschaufeln (8) mit jeweils einer Eintrittskante (10) für einen Medienstrom aufweist, wobei im Turbinengehäuse (6) ein ver- stellbares Leitgitter (12) mit einer Mehrzahl von Leitschaufeln (14) zur veränderlichen Einstellung eines Strömungsquerschnitts (16) bezüglich der Eintrittskante (10) des Turbinenrades (4) angeordnet ist, und die Leitschaufeln (14) jeweils eine dem Turbinenrad (4) zugewandte Schaufelhinterkante (18) und eine dem Turbinenrad abgewandte Schaufelvorderkante (20) aufweisen. Eine wird Ebene aufgespannt durch eine Drehachse (7) des Turbinenrades (4) und mindestens einen auf der Eintrittskante liegenden Punkt (P), wobei eine Projektion der Eintrittskante (10) auf diese Ebene zumindest in einem Bereich axial geneigt ist gegenüber der Drehachse (7) des Turbinenrades (4) und die Leitschaufeln (14) zumindest in diesem Bereich radial um das Turbinenrad (4) angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Abgasturbolader Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Mittels eines Abgasturboladers kann einem Verbrennungsmotor zusätzlich Frischluft zugeführt werden, wodurch mehr Kraftstoff verbrannt werden kann. Dementsprechend kann der Abgasturbolader die Leistung des Verbrennungsmotors steigern. Darüber hinaus vermögen Abgasturbolader auch den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu erhöhen. Typischerweise weist ein Abgasturbolader eine Turbine mit einem Turbinenrad und einen Verdichter mit einem Verdichterrad auf, wobei das Turbinenrad und das Verdichterrad zumeist auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Das Turbinenrad wird hierbei über einen Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors angetrieben, und dieser treibt wiederum das Verdichterrad an. Der Verdichter, auch Kompressor genannt, verdichtet angesaugte Frischluft und führt diese dem Verbrennungsmotor zu. Die gemeinsame Welle des Verdichters und der Turbine ist oftmals in einem Lagergehäuse des Turboladers gelagert. Des Weiteren ist z.B. das Turbinenrad der Turbine in einem Turbinengehäuse angeordnet und entsprechend das Verdichterrad des Verdichters in einem Verdichtergehäuse.
Um eine Anpassung der Turbinenleistung an einen Betrieb des Verbrennungsmotors zu verbessern, sind insbesondere bei Die- selmotoren, in letzter Zeit aber auch bei Ottomotoren, sogenannte variable Turbinengeometrie-Verstellsysteme entwickelt worden. Hierbei besteht die häufigste Form der variablen Turbinenge¬ ometrie aus einem Vorleitgitter mit verstellbaren Leitschaufeln, welche vor dem Turbinenrad angeordnet sind. Die Leitschaufeln sind in Abhängigkeit von einem aktuellen Betriebszustand des Verbrennungsmotors zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung verstellbar. Über die Einstellung der Leitschaufeln und des Leitgitters kann ein Abgasgegendruck sowie auch die Art und Weise der Zuströmung des Abgasmassenstromes auf das Turbinenrad beeinflusst werden. So kann ein Strömungs¬ querschnitt des Abgasmassenstromes zum Turbinenrad verändert werden. Der Strömungsquerschnitt des Abgasmassenstromes zum Turbinenrad ist hierbei in der offenen Stellung der Leitschaufeln am größten und in der geschlossenen Stellung am geringsten. Bei einem geringeren Abgasmassenstrome werden die Leitschaufeln in die geschlossene Stellung bewegt. Durch den geringen Strö¬ mungsquerschnitt in der geschlossenen Stellung erhöht sich die Geschwindigkeit des Abgasmassenstromes zwischen den Leit¬ schaufeln. Der Abgasmassenstrom trifft somit mit höherer Geschwindigkeit auf die Turbinenschaufeln, wodurch die Drehzahl der Welle und somit die Leistung des Abgasturboladers steigt. Hierdurch kann auch bei geringem Abgasmassenstrom genügend Frischluft durch den Verdichter verdichtet werden und dem
Verbrennungsmotor zugefügt werden. Somit kann die Leistung des Abgasturboladers bedarfsgemäß an den Betriebszustand des Verbrennungsmotors eingestellt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Abgasturbolader zu entwickeln, bei dem die Leistung insbesondere in einem niedrigen Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors erhöht ist . Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Weitere Ausführungsformen der Er¬ findung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche und der Ausführungsbeispiele . Der erfindungsgemäße Abgasturbolader umfasst eine Turbine mit einem Turbinenrad, wobei das Turbinenrad axial in einem Tur¬ binengehäuse gelagert ist und Turbinenschaufeln mit jeweils einer Eintrittskante für einen Medienstrom aufweist. Im Turbinengehäuse ist ein verstellbares Leitgitter mit einer Mehrzahl von Leitschaufeln zur veränderlichen Einstellung eines Strömungsquerschnitts bezüglich der Eintrittskante des Turbinen¬ rades angeordnet. Die Leitschaufeln weisen jeweils eine dem Turbinenrad zugewandte Schaufelhinterkante und eine vom Tur- binenrad abgewandte Schaufelvorderkante auf. Eine Ebene wird durch eine Drehachse des Turbinenrades und mindestens einen auf der Eintrittskante liegenden Punkt aufgespannt. Eine Projektion der Eintrittskante auf diese Ebene ist zumindest in einem Bereich gegenüber der Drehachse des Turbinenrades axial geneigt (ge¬ neigte Eintrittskante) . Weiterhin sind die Leitschaufeln zu¬ mindest in diesem Bereich radial um das Turbinenrad angeordnet. Ein Beispiel einer solchen geneigten Eintrittskante eines Turbinenrades ist zur Veranschaulichung in der Figur 10 gezeigt.
Unter der Projektion der Eintrittskante auf die Ebene wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung eine Abbildung einer dreidimensionalen Eintrittskante auf eine zweidimensionale Ebene verstanden. Eine Turbine mit einer derartigen geneigten Ein- trittskante wird auch als Radial-Axial-Turbine oder Turbine mit halbaxialer Zuströmung bezeichnet. Typischerweise variiert ein radialer Abstand der Eintrittskante senkrecht zur Drehachse des Turbinenrades in dem genannten Bereich. Durch die Erfindung können die Vorteile einer Turbine mit halbaxialer Zuströmung mit den Vorteilen einer Turbine mit einem verstellbaren Leitgitter, wobei das Leitgitter eine Mehrzahl von Leitschaufeln aufweist, kombiniert werden. Durch die geneigte Eintrittskante kann das Turbinenrad ein geringeres Träg- heitsmoment aufweisen als ein Turbinenrad mit einer Projektion einer Eintrittskante auf die genannte Ebene parallel zur Drehachse des Turbinenrades (gerade Eintrittskante) , das auch Turbinenrad mit radialer Zuströmung genannt wird. Hierdurch wird die Leistung und das Ansprechverhalten des Abgasturboladers, insbesondere in einem Bereich niedriger Drehzahl des Verbrennungsmotors, gesteigert. Die verstellbaren Leitschaufeln sorgen ebenfalls für eine Verbesserung der Leistung des Verbrennungsmotors im niedrigen Drehzahlbereich. Aufgrund des geringeren Trägheitsmoments kann das erfin¬ dungsgemäße Turbinenrad kleiner gebaut werden als Turbinenräder mit einer geraden Eintrittskante. Hierdurch kann das Vor- leitgitter kleiner und mit weniger Leitschaufeln ausgeführt werden. Folglich können Kosten eingespart werden.
Außerhalb des genannten Bereichs kann die Projektion der Eintrittskante auf die Ebene auch zumindest teilweise parallel zur Drehachse des Turbinenrades sein.
Die axial geneigte Projektion der Eintrittskante kann ab¬ schnittsweise um einen Winkel von mindestens 30° gegenüber der Drehachse des Turbinenrades geneigt sein. Dieser Winkel kann einen konstanten Wert aufweisen. In typischen Ausführungen beträgt dieser Winkel weniger als 60° . Ein Beispiel einer um einen Winkel φ gegenüber einer Drehachse eines Turbinenrades geneigten Projektion einer Eintrittskante ist zur Veranschaulichung in der Figur 10 gezeigt.
Bevorzugt ist eine Projektion der Schaufelhinterkante auf die genannte Ebene zumindest in dem genannten Bereich ebenfalls axial geneigt gegenüber der Drehachse. Hierdurch kann eine Strö- mungsführung des Medienstroms von den Leitschaufeln zum Turbinenrad verbessert werden.
In bevorzugter Weise verläuft die Schaufelhinterkante jeweils einer Leitschaufel im Wesentlichen parallel zur Eintrittskante einer jeweils nächstliegenden Turbinenschaufel. Die Schaufel¬ hinterkante weist einen gleichen Neigungswinkel gegenüber der Drehachse des Turbinenrades wie die Eintrittskante auf. In diesem Fall ist also die Projektion der Schaufelhinterkante parallel zur Projektion zur Projektion der Eintrittskante. Typischerweise hat ein Spalt zwischen der Schaufelhinterkante und der Ein¬ trittskante also im Wesentlichen einen konstanten Wert. Die Strömungsführung des Medienstroms von den Leitschaufeln zum Turbinenrad kann dadurch verbessert werden. Üblicherweise sind die Leitschaufeln zwischen einer offenen
Stellung und einer geschlossenen Stellung verstellbar. Zumindest in der offenen Stellung kann ein minimaler radialer Abstand der Schaufelhinterkante jeweils einer Leitschaufel senkrecht zur Drehachse des Turbinenrades kleiner sein als ein maximaler radialer Abstand der Eintrittskante einer jeweils nächstlie¬ genden Turbinenschaufel senkrecht zur Drehachse des Turbi¬ nenrades. In diesem Fall hinterschneidet die Schaufelhinterkante also in radialer Richtung die Eintrittskante einer nächst¬ liegenden Turbinenschaufel. Hierdurch kann der Medienstrom möglichst nahe an das Turbinenrad geführt werden. Bevorzugt ist eine Spaltbreite zwischen Schaufelhinterkante und Eintritts¬ kante minimal. Beispielsweise ist die Spaltbreite kleiner als 2 mm. Unter Berücksichtigung von Fertigungs- und Montagetoleranzen ist die ist die Spaltbreite typischerweise jedoch größer als 0,5 mm. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Spaltbreite 1 mm. Vorzugsweise ist ein erster Querschnitt jeweils einer Leit¬ schaufel senkrecht zur Drehachse des Turbinenrades um einen Winkel geneigt gegenüber einem zweiten Querschnitt der je¬ weiligen Leitschaufel senkrecht zur Drehachse des Turbinenrades. Das heißt, dass die Leitschaufel in dieser Ausführung eine verdrillte Form aufweist. Durch die verdrillte Form der
Leitschaufel erhält der Medienstrom vor dem Auftreffen auf die Eintrittskante neben einer Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Drehachse eine Geschwindigkeitskomponente parallel zur Drehachse, d.h. in axialer Richtung. Hierdurch wird eine Strömungsführung des Medienstroms von der Leitschaufel auf das Turbinenrad verbessert. Der erste Querschnitt kann um einen Winkel von größer als 5° geneigt sein gegenüber dem zweiten Querschnitt. Typischerweise beträgt dieser Winkel weniger als 25° .
Zur weiteren Verbesserung der Strömungsführung können mindestens zwei Querschnitte jeweils einer Leitschaufel senkrecht zur Drehachse jeweils eine unterschiedliche Form aufweisen. In der vorliegenden Schrift definieren unterschiedliche
Strömungsfäden jeweils einen geringsten Abstand auf einer den Medienstrom führenden Leitschaufeloberfläche von der Schau¬ felvorderkante bis zur Schaufelhinterkante. Bevorzugt weisen die unterschiedlichen Strömungsfäden jeweils eine gleiche Länge auf. Beispielsweise können die Strömungsfäden bei verdrillt geformten Leitschaufeln oder bei unterschiedlich geformten Querschnitten einer Leitschaufel unterschiedliche jeweils eine gleiche Länge aufweisen. Unterschiedliche Strömungswege des Abgasmassen¬ stromes auf der Leitschaufel sind dann von gleicher Länge. Dadurch ist die Strömungsführung des Medienstroms von der Leitschaufel auf das Turbinenrad besonders günstig ausgeführt. Gemäß einer weiteren Definition teilen Profilmittellinien jeweils einer Leitschaufel jeweils einen Querschnitt der Leitschaufel senkrecht zur Drehachse seiner Länge nach in zwei gleich dicke Hälften. Die Profilmittellinien erstrecken sich hierbei von der Schaufelhinterkante zu der Schaufelvorderkante der Leitschaufel. Vorzugsweise sind die Profilmittellinien zumindest abschnittsweise gekrümmt. Hierdurch kann die Strö¬ mungsführung von der Leitschaufel zum Turbinenrad weiter verbessert werden. Die zumindest abschnittsweise gekrümmte Profilmittellinie kann einen einzigen konstanten Krümmungsradius aufweisen. Sie kann in anderen Ausführungen auch bereichsweise jeweils verschiedene Krümmungsradien aufweisen. Es kann vorgesehen sein, dass die Profilmittellinie in einem ersten Bereich gerade ist und in einem zweiten Bereich gekrümmt ist. Sämtliche Profilmittellinien jeweils einer Leitschaufel sind vorzugsweise gleichgeformt. Alternativ kann der Profilmittellinie innerhalb der jeweiligen Leitschaufel auch variiert werden. Typischerweise ist eine den Medienstrom führende und sich von der Schaufelhinterkante bis zur Schaufelvorderkante der Leit¬ schaufel erstreckende Leitschaufeloberfläche gewölbt.
Bevorzugt sind die Schaufelvorderkante und die Schaufel- hinterkante zweier benachbarter Leitschaufeln derart geformt, dass sie in der geschlossenen Stellung der Leitschaufeln einen Durchbruch für eine Strömungsführung des Medienstroms zum Turbinenrad bilden. Vorzugsweise ist eine Form der Schaufel- Vorderkante an eine Form der Schaufelhinterkante angepasst, um eine strömungsgünstige Düse zu bilden. Hierdurch kann eine günstige Strömungsführung des Medienstroms realisiert werden. Das Turbinenrad ist in typischen Ausführungen zusammen mit einem Verdichterrad auf einer Welle gelagert, wobei die Welle in einem Lagergehäuse gelagert ist. Üblicherweise sind die die Leit¬ schaufeln auf Leitschaufelwellen befestigt, wobei die Leitschaufelwellen drehbar in einem Schaufellagerring angeordnet sind. Zwischen dem Schaufellagerring und der Welle ist vorzugsweise ein Hitzeschild strömungsführend angeordnet. Der Hitzeschild kann einen Hitzeeintrag in das genannte Lagergehäuse verringern und kann für eine verbesserte Strömungsführung des Medienstroms von den Leitschaufeln zum Turbinenrad sorgen.
Durch die oben beschriebenen Verbesserungen der Strömungsführung des Medienstroms von den Leitschaufeln zum Turbinenrad können geringere Strömungsverluste auftreten, was zu einem besseren Wirkungsgrad der Turbine führt.
Ausführungsbeispiele werden anhand der beigefügten Figuren erläutert. In den Figuren zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt eines turbinenseitigen
Schnitts eines Abgasturboladers;
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Turbinenrad und radial um das Turbinenrad angeordnete Leitschaufeln in einer Offenstellung der Leitschaufeln;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Eintrittskante sowie einer nächstliegenden
Schaufelhinterkante ; Fig. 4 die Anordnung aus Figur 2 in einer mittleren
SchaufelStellung; Fig. 5 eine Vergrößerung der Anordnung aus Figur 2 in einer geschlossenen Stellung der Leitschaufeln;
Fign. 6A-6D verschiedene Querschnitte einer Leitschaufel;
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer auf einer Leitschaufelwelle angeordneten Leit¬ schaufel;
Fig. 8 eine Vorderansicht auf zwei Leitschaufeln;
Fig. 9 um einen Winkel geneigte Querschnitte einer
Leitschaufel und
Fig. 10 eine schematische Darstellung des Turbinenrades aus den Figur 1-5.
Funktionsgleiche Teile bzw. wiederkehrende Merkmale sind in den Figuren durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen gekenn- zeichnet.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt eines Abschnitts eines Ab¬ gasturboladers 1. Im gezeigten Abschnitt ist eine Turbine 2 mit einem Turbinenrad 4 gezeigt. Das Turbinenrad 4 ist axial auf einer eine Drehachse 7 definierenden Welle 5 in einem Turbinengehäuse 6 gelagert. Auf der Welle 5 befindet sich ebenfalls ein nicht gezeigtes Verdichterrad in einem Verdichtergehäuse. Die Welle 5 des Turbinenrades 4 und des Verdichterrades ist in einem La¬ gergehäuse 9 gelagert.
Das Turbinenrad 4 weist eine Nabe 3 mit darauf angeordneten Turbinenschaufeln 8 auf. Die Turbinenschaufeln 8 umfassen jeweils eine Eintrittskante 10 und eine Austrittkante 11 für einen Abgasmassenstrom aus einem Verbrennungsmotor . Im gezeigten Beispiel ist der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor. Alternativ kann der Verbrennungsmotor aber auch ein Ottomotor sein. Der Abgasturbolader 1 weist eine variable Turbinengeometrie auf, die ein verstellbaren Leitgitter 12 mit einer Mehrzahl von Leitschaufeln 14 zur veränderlichen Einstellung eines Strömungsquerschnitts 16 bezüglich der genannten Eintrittskante 10 des Turbinenrades 4 umfasst, wobei das Leitgitter 12 im Tur¬ binengehäuse 6 angeordnet ist. Über die Leitschaufeln 14 wird der Abgasmassenstrom auf die Turbinenschaufel 8 des Turbinenrades 4 geführt. Hierbei trifft der Abgasmassenstrom zunächst auf eine vom Turbinenrad 4 abgewandte Schaufelvorderkante 20 und gelangt über eine Schaufeloberfläche 19 und eine dem Turbinenrad zu¬ gewandte Schaufelhinterkante 18 zur Eintrittskante 10 des Turbinenrades 4.
Die Leitschaufeln 14 sind zwischen einer Offenstellung und einer geschlossenen Stellung verstellbar. Dazu sind die Leitschaufeln 14 auf Leitschaufelwellen 21 angeordnet, die in einem Leitschaufellagerring 22 drehbar gelagert sind. Die Leitschaufeln 14 sind durch den Leitschaufellagerring 22 und eine Scheibe 15 begrenzt. Die Leitschaufeln 14 des Leitgitters 12 sind in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors durch einen nicht-dargestellten elektrischen Aktuator verstellbar. Der Aktuator kann alternativ auch als Druckdose ausgebildet sein. Zwischen der Nabe 3 und dem Leitschaufellagerring 22 ist ein Hitzeschild 23 angeordnet, der einen Wärmeeintrag des Abgas¬ massenstromes in eine Lagerung der Welle 5 im Lagergehäuse 9 reduziert. Um temperaturbedingte Verbiegungen zu kompensieren, ist der Hitzeschild 23 an einem Federarm 24 federnd angeordnet und zwischen dem Schaufellagerring 22 und dem Lagergehäuse 9 eingespannt. Ferner begünstigt der Hitzeschild 23 eine Strö¬ mungsführung des Abgasmassenstromes auf das Turbinenrad 4. Beim Drehen der Leitschaufelwellen 21 von der geschlossenen Stellung in die Offenstellung der Leitschaufeln 14, werden die Leit- schaufeln 14 über den Hitzeschild 23 geschwenkt.
In der Figur 1 wird eine Ebene aufgespannt durch die Drehachse 7 des Turbinenrades 4 und einen auf der Eintrittskante 10 liegenden Punkt P. Zu erkennen ist, dass eine Projektion der dreidimensionalen Eintrittskante 10 auf diese Ebene gegenüber der Drehachse 7 des Turbinenrades 4 axial geneigt ist. Die die Leitschaufeln 14 sind um die Eintrittskante 10 des Turbinenrades 4 radial angeordnet. In der Figur ist die Projektion der gesamten Eintrittskante 10 geneigt.
Die beschriebene axial geneigte Projektion der Eintrittskante 10 auf die genannte Ebene wird häufig als geneigte oder schräge Eintrittskante 10 bezeichnet. Die in der Figur 1 gezeigte Turbine 2 ist also eine Turbine mit halbaxialer Zuströmung. Der Abgasmassenstrom strömt aus einem nicht gezeigten Strömungsgehäuse der Turbine überwiegend radial auf die Vorderkanten 20 der Leitschaufeln 14, während sie neben einer radialen Strö- mungskomponente auch mit einer axialen Strömungskomponente auf die Eintrittskante 10 der Turbinenschaufeln 8 treffen.
Die axial geneigte Projektion der Eintrittskante 10 auf die Ebene ist um einen Winkel φ von etwa 48° gegenüber der Drehachse 7 des Turbinenrades 4 geneigt. Ebenfalls ist zu erkennen, dass eine Projektion der Schaufelhinterkante 18 auf die genannte Ebene gegenüber der Drehachse 7 um den gleichen Winkel φ von etwa 48° axial geneigt ist. Die Schaufelhinterkante 10 verläuft also im Wesentlichen parallel zur Eintrittskante 10 einer jeweils nächstliegenden Turbinenschaufel 8. Ein Spalt 26 zwischen Eintrittskante 10 und Schaufelhinterkante 18 ist somit im Wesentlichen von konstanter Dicke und beträgt etwa 1 mm.
Die in Figur 1 gezeigten Leitschaufeln 14 befinden sich in einer Offenstellung. In dieser Stellung ist ein minimaler radialer Abstand x der Schaufelhinterkante 18 jeweils einer Leitschaufel 14 senkrecht zur Drehachse 7 kleiner als ein maximaler radialer Abstand y der Eintrittskante 10 einer jeweils nächstliegenden Turbinenschaufel 14 senkrecht zur Drehachse 7. Die Leitschaufeln 14 hinterschneiden somit die Turbinenschaufeln 8 im Bereich der Eintrittskante 10. Die Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf das Turbinenrad 4 und die Leitschaufeln 14 der in der Figur 1 gezeigten Turbine in der Offenstellung der Leitschaufeln 14. Zur besseren Darstellung wurden hier unter anderem das Lagergehäuse 9 und die Scheibe 15 weggelassen. Die Figur 3 zeigt eine Vergrößerung des Details A aus der Figur 2 in einer perspektivischen Darstellung. Wie aus den Figuren 2 und 3 hervorgeht, weisen die Leitschaufeln 14 eine gewölbte Leitschaufeloberfläche 19 auf. Aus diesem Grund ist die Leitschaufeloberfläche 19 in der Aufsicht der Figur 2 zu er- kennen. Neben der geneigten Eintrittskante 10 des Turbinenrades 4 besitzen die Leitschaufeln 14 ebenfalls geneigte Schaufel¬ kanten 18, um den Abgasmassenstrom bis möglichst nahe an das Turbinenrad 4 sauber zu führen. Dies geht insbesondere aus der perspektivischen Darstellung der Figur 3 der Eintrittskante 10 und der Schaufelhinterkante 14 hervor.
Figuren 4 und 5 zeigen die Anordnung aus Figur 2 in einer mittleren Leitschaufelstellung bzw. in einer geschlossenen Stellung der Leitschaufeln 14. Insbesondere in Figur 5 ist gut zu erkennen, dass die Schaufelvorderkante 20 und die Schaufelhinterkante 18 zweier benachbarter Leitschaufeln 14 derart geformt sind, dass sie eine strömungsgünstige Düse 28 für eine Strömungsführung des Abgasmassenstromes zum Turbinenrad 4 bilden. Die Düse 28 ist in der Figur als Durchbruch 28 zu erkennen.
In den Figuren 6A bis 6D sind verschiedene Querschnitte un¬ terschiedlich geformter Leitschaufeln 14 senkrecht zur Drehachse 7 gezeigt. Eine Profilmittellinie 30 der Leitschaufel 14 teilt einen Querschnitt der Leitschaufel 14 seiner Länge 31 nach in zwei gleich dicke Hälften. Die Profilmittellinie 30 erstreckt sich hierbei von der Schaufelhinterkante 18 zu der Schaufelvor¬ derkante 20.
In Figur 6A ist die Profilmittellinie eine gerade Linie, während in Figur 6B die Profilmittellinie 30 gekrümmt ist und einen konstanten Krümmungsradius aufweist, der einen endlichen Wert hat. Die Profilmittellinie 30 aus Figur 6C hingegen weist zwei verschieden gekrümmte Bereiche mit jeweils unterschiedlichen Krümmungsradien auf. Schließlich zeigt die Profilmittelinie 30 aus der Figur 6D, die abschnittsweise gekrümmt ist und ab¬ schnittsweise gerade ist. Eine perspektivische Ansicht einer noch nicht montierten
Leitschaufel 14 mit einer Leitschaufelwelle 5 aus dem in den Figuren 1 bis 5 gezeigten Abgasturbolader 1 ist zur Deutlichkeit noch mal in der Figur 7 gezeigt. An einer der Scheibe 15 zugewandten Seite 35 λ weist die Leitschaufel 14 einen in der Figur 6D gezeigten Querschnitt auf. Auch an einer dem Schaufellagerring zugewandten Seite 34 λ weist die Leitschaufel 14 den in der Figur 6D gezeigten Querschnitt auf, wobei die beiden Querschnitt gegenübereinander um einen Winkel von 10° verdrillt sind (vgl. Figur 9) . Es ist alternativ auch möglich, dass mindestens zwei Querschnitte jeweils einer Leitschaufel 14 senkrecht zur
Drehachse 7 des Turbinenrades 4 jeweils eine unterschiedliche Form aufweisen. So kann es vorgesehen sein, dass eine einzige Leitschaufel 14 sämtliche Querschnitte aus den Figuren 6A bis 6D aufweist .
Unterschiedliche Strömungsfäden 33 sind jeweils definiert durch einen geringsten Abstand auf der Leitschaufeloberfläche 19 von der Schaufelvorderkante 20 bis zur Schaufelhinterkante 18. Um sicherzustellen, dass Abgasmassenströme einen gleich langen Strömungsweg auf jeweils einer Leitschaufeloberfläche 19 zum Turbinenrad 4 zurücklegen, weisen unterschiedliche Strö¬ mungsfäden 33 jeweils eine gleiche Länge auf.
In der Figur 8 ist eine weitere schematische Ansicht der Leitschaufel 14 aus den Figuren 1 bis 5 und 7 gezeigt.
Die Strömungsfäden 33 in Figur 8 weisen eine gleiche Länge auf. Damit dies sichergestellt ist, ist die Leitschaufel 14 verdrillt, d.h., die Leitschaufeloberfläche 19 ist gewölbt ausgeführt. In Figur 9 sind zwei Querschnitte der in den Figuren 1-5, 7 und 8 gezeigten Leitschaufel 14 senkrecht zur Drehachse 7 des Turbinenrades 4 gezeigt. Hierbei ist zu erkennen, dass ein erster Querschnitt 34 der Leitschaufel 14 an der dem Schaufellagerring zugewandten Seite 34 λ um den Winkel von 10° gegenüber einem zweiten Querschnitt 35 der Leitschaufel 14 an der der Scheibe 15 zugewandten Seite 35 λ geneigt ist. In der Figur 10 ist das Turbinenrad 4 mit halbaxialer Zuströmung aus den Figuren 1 bis 5 nochmals in schematischer Darstellung gezeigt. In dieser Figur 10 ist zu erkennen, dass eine Ebene durch die Drehachse 7 des Turbinenrades 4 und mindestens einen auf der Eintrittskante 10 liegenden Punkt P aufgespannt wird. Die Projektion der Eintrittskante 10 auf diese Ebene ist axial um den Winkel φ gegenüber der Drehachse 7 des Turbinenrades 4 geneigt.
Neben dem ebenfalls in der Figur 1 gezeigten Punkt P, ist es auch möglich, einen anderen Punkt Ρλ an einer anderen Stelle auf der Eintrittskante 10 zu wählen. Die Projektion auf die durch den Punkt Ρλ und die Drehachse 7 definierte Ebene ist auch in diesem Fall um den Winkel φ geneigt.
Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Abgasturbolader (1), umfassend eine Turbine (2) mit einem Turbinenrad (4), wobei das Turbinenrad (4) axial in einem Turbinengehäuse (6) gelagert ist und Turbinenschaufeln (8) mit jeweils einer Eintrittskante (10) für einen Medienstrom aufweist, wobei im Turbinengehäuse (6) ein verstellbares Leitgitter (12) mit einer Mehrzahl von Leitschaufeln (14) zur veränderlichen Einstellung eines Strömungsquerschnitts (16) bezüglich der Eintrittskante (10) des Turbinenrades (4) angeordnet ist, und die Leitschaufeln (14) jeweils eine dem Turbinenrad (4) zugewandte Schaufelhinterkante (18) und eine vom Turbinenrad (4) abgewandte Schaufelvorderkante (20) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ebene aufgespannt wird durch eine Drehachse (7) des Turbinenrades (4) und mindestens einen auf der Eintrittskante liegenden Punkt (P) , wobei eine Projektion der Eintrittskante
(10) auf diese Ebene zumindest in einem Bereich axial geneigt ist gegenüber der Drehachse (7) des Turbinenrades (4) und die Leitschaufeln (14) zumindest in diesem Bereich radial um das Turbinenrad (4) angeordnet sind.
2. Abgasturbolader gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axial geneigte Projektion der Eintrittskante (10) abschnittsweise um einen Winkel φ von mindestens 30° gegenüber der Drehachse (7) des Turbinenrades (4) geneigt ist.
3. Abgasturbolader gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Projektion der Schaufel¬ hinterkante (18) auf die genannte Ebene zumindest in dem genannten Bereich axial geneigt ist gegenüber der Drehachse (7) .
4. Abgasturbolader gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelhinterkante (18) jeweils einer Leitschaufel (14) im Wesentlichen parallel zur Eintrittskante (18) einer jeweils nächstliegenden Turbi¬ nenschaufel (8) verläuft.
5. Abgasturbolader nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leitschaufeln (18) zwischen einer Offenstellung und einer geschlossenen Stellung verstellbar sind, und zumindest in der Offenstellung ein minimaler radialer Abstand (x) der Schaufelhinterkante (18) jeweils einer Leitschaufel (14) senkrecht zur Drehachse (7) des Turbinenrades (4) kleiner ist als ein maximaler radialer Abstand (y) der Eintrittskante (10) einer jeweils nächstliegenden Turbinenschaufel (8) senkrecht zur Drehachse (7) des Turbinenrades (4) .
6. Abgasturbolader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Strömungsfäden (33) jeweils einen geringsten Abstand auf einer Leitschau¬ feloberfläche (19) von der Schaufelvorderkante (20) bis zur Schaufelhinterkante (18) definieren, wobei die unter¬ schiedlichen Strömungsfäden (33) jeweils eine gleiche Länge aufweisen .
7. Abgasturbolader gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Querschnitt (34) jeweils einer Leitschaufel (14) senkrecht zur Drehachse (7) des Turbinenrades (4) um einen Winkel geneigt ist gegenüber einem zweiten Querschnitt (35) der jeweiligen Leitschaufel (14) senkrecht zur Drehachse (7) des Turbinenrades (4) .
8. Abgasturbolader gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Profilmittellinien (30) jeweils einer Leitschaufel (14) jeweils einen Querschnitt der Leitschaufel (14) senkrecht zur Drehachse (7) seiner Länge nach in zwei gleich dicke Hälften teilen und die Profil- mittellinien (30) sich von der Schaufelvorderkante (20) zu der
Schaufelhinterkante (18) der Leitschaufel (14) erstrecken, wobei die Profilmittellinien (30) zumindest abschnittsweise gekrümmt sind.
9. Abgasturbolader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Querschnitte jeweils einer Leitschaufel (14) senkrecht zur Drehachse (7) jeweils eine unterschiedliche Form aufweisen.
10. Abgasturbolader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Medienstrom führende und sich von der Schaufelvorderkante (20) bis zur Schaufel¬ hinterkante (18) der Leitschaufel (14) erstreckende Leit¬ schaufeloberfläche (19) gewölbt ist.
11. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelvorderkante (20) und die Schaufelhinterkante (18) zweier benachbarter Leitschaufeln (14) derart geformt sind, dass sie in der geschlossenen Stellung der Leitschaufeln (14) einen Durchbruch (28) für eine Strömungsführung des Medienstroms zum Turbinenrad (4) bilden.
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